大尺寸全半导体PCSEL单模激射理论研究

2026-07-22
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光子晶体面发射激光器（PCSEL）作为一种垂直发射的半导体器件，以其单模运行和光斑状的远场分布特性备受瞩目。然而，在追求更高功率与更高效率的产业化道路上，传统的气孔型（Air-void）PCSEL却面临着难以跨越的物理瓶颈。目前绝大多数实验展示的PCSEL都依赖于包含周期性空气孔洞的PC层 。虽然这种设计能提供强烈的折射率对比度，但随之而来的痛点也十分明显，如空气孔会导致PC层的电阻增加，从而影响电流的均匀扩展与热量耗散 ；空气与半导体之间强烈的折射率对比会带来额外的光学损耗等。
为了解决这些限制，全半导体（All-Semiconductor）PCSEL应运而生 。然而，挑战也随之而来，全半导体PC层的折射率对比度极低，导致不同波分量之间的耦合大幅减弱。为了弥补这一缺陷并确保中心区域的光场限制，全半导体PCSEL必须采用毫米级的超大发光面积，以及极高填充因子的PC特征结构 。研究由Weierstrass Institute等机构的科研人员合作完成，为大面积PCSEL的结构设计与效率提升指明了全新的方向。

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面对大面积单晶格PCSEL极易激越多模、导致光束质量下降的难题，本研究提出了独创的光子晶体特征图形：研究团队在GaAs PC层中引入了周期性重复的InGaP拉伸等腰三角形（Stretched Isosceles Triangle, SIT）图形 。此外，在p型接触层与PC层之间，研究人员巧妙地加入了10层分布式布拉格反射镜（DBR），用于将部分垂直出射的光重新反射回去，从而大幅提升出光效率 。
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研究发现，当SIT的底边长度为a/sqrt{2}且底角为 arctan(3)≈71.565° 时（即特殊SIT，SSIT），能够完美消除反向传播波之间的直接一维（1D）耦合 。这种设计成功压制了高阶模式，确保了大面积下的单模运行。得益于SIT结构带来的巨大模式增益差（Gain gap），器件能够实现极其稳定的单模运行 。在理想条件下，其光谱的边模抑制比最高可达 90 dB。以往PCSEL的最高电光转换效率仅约为20% 。而在本模型的模拟中，器件的电光转换效率被估算为 23%，并在高注入电流下有望攀升至 33%。在PCSEL实际加工中很难做到完美的垂直孔壁。模拟表明，即使PC特征孔壁存在一定的倾斜（Slanted walls），器件依然能保持极佳的动态性能，边模抑制比仍稳稳保持在 ≥60 dB以上 。
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尽管展示了巨大的潜力，该研究也客观指出了当前设计与模型存在的局限性，如模拟显示，厚达370 μm的衬底直接吸收了将近一半的垂直出射功率。随着背面减薄工艺的进步，进一步减薄衬底将成为大幅提升器件电光转换效率的关键所在。虽然理论上完美的SSIT（71.5°底角）能最大程度抑制多模，但它同时也会导致过低的P-I曲线斜率和较低的输出功率 。且目前的动态模型忽略了热透镜效应（Thermal effects）、增益压缩（Gain compression）以及有源区外过剩载流子的积累 。在未来面向千瓦级（Kilowatt-class）输出的实际器件开发中，这些非线性因素将是不可忽视的考量维度。
总而言之，这项研究为全半导体PCSEL的设计提供了一份极具实用价值的“参数导航图”。通过在基底结构与面内晶格设计上的巧妙协同，大面积、高功率且高光束质量的PCSEL正一步步从理论走向现实。


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